JP7232509B2

JP7232509B2 - LASER APPARATUS, WAVELENGTH CONVERSION DEVICE, AND LIGHT OUTPUT METHOD

Info

Publication number: JP7232509B2
Application number: JP2019014486A
Authority: JP
Inventors: 眞幸桂川
Original assignee: THE UNIVERSITY OF ELECTRO-COMUNICATINS
Current assignee: THE UNIVERSITY OF ELECTRO-COMUNICATINS
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2023-03-03
Anticipated expiration: 2039-01-30
Also published as: JP2020122869A

Description

本発明は、レーザ装置、波長変換デバイス、及び光出力方法に関する。 The present invention relates to a laser apparatus, wavelength conversion device, and light output method.

レーザ技術の発展にともなって様々な機能を持つレーザの開発が進み、可視光や近赤外光の帯域では、これらのレーザ光を用いた高次の非線形光学効果も観測されてきた。しかし、真空紫外域においては、透明な固体（非線形光学結晶）がほとんど存在せず、この波長域において有用なレーザ、たとえば、単一周波数（波長可変）レーザを実現することは、現状でも、尚、極めて困難な課題として残されたままである。 With the development of laser technology, lasers with various functions have been developed, and high-order nonlinear optical effects using these laser lights have been observed in the visible light and near-infrared light bands. However, there are almost no transparent solids (nonlinear optical crystals) in the vacuum ultraviolet region. , remains an extremely difficult task.

非線形光学過程に関与する複数の周波数（または波長）成分の間の相対位相関係を所望の値へと近似的に制御することで、目的とする非線形光学過程を実現する構成が知られている（たとえば、特許文献１参照）。 A configuration is known that achieves a desired nonlinear optical process by approximately controlling the relative phase relationship between a plurality of frequency (or wavelength) components involved in the nonlinear optical process to a desired value ( For example, see Patent Document 1).

再公表特許ＷＯ２０１５／１７０７８０号Republished patent WO2015/170780

上記の特許文献の典型例（高次誘導ラマン散乱過程）では、非線形光学媒質と、非線形光学媒質中に配置される透明な分散媒質とを含むケーシングの全体が、液体窒素等により低温に維持される。また、目的とする非線形光学過程を実現して真空紫外域で所定の光を取り出すためには、多数の分散媒質の挿入が必要である。たとえば、１００ｎｍに近い波長へ変換するためには、１０枚前後の分散媒質の挿入が必要になる。 In the typical example of the above patent document (higher-order stimulated Raman scattering process), the entire casing containing the nonlinear optical medium and the transparent dispersion medium placed in the nonlinear optical medium is kept at a low temperature by liquid nitrogen or the like. be. In addition, in order to realize the desired nonlinear optical process and to extract predetermined light in the vacuum ultraviolet region, it is necessary to insert a large number of dispersive media. For example, in order to convert to a wavelength close to 100 nm, it is necessary to insert about 10 dispersion media.

本発明は、小型かつ室温で動作して真空紫外レーザ光を発生するレーザ装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a small-sized laser device that operates at room temperature and generates vacuum ultraviolet laser light.

本発明では、希ガス中に分散媒質を配置し、その位置と厚みを所望の値に調整することで、二光子励起による非線形光学過程を経て、室温で高効率に真空紫外レーザ光を発生させる。 In the present invention, a dispersion medium is placed in a noble gas and its position and thickness are adjusted to desired values, so that vacuum ultraviolet laser light is generated at room temperature with high efficiency through a nonlinear optical process by two-photon excitation. .

具体的には、本発明のレーザ装置は、
セル内に封入される希ガスと、
前記希ガスの中に光軸に沿って、その位置と厚みが所望の値に調整された１以上の分散媒質と、
二光子励起光源と、
シード光源と、
を有し、二光子励起光とシード光が前記希ガスと前記分散媒質に入射して、二光子励起による非線形光学過程を経て真空紫外レーザ光が出力される。 Specifically, the laser device of the present invention
a rare gas enclosed in the cell;
one or more dispersion media whose position and thickness are adjusted to desired values along the optical axis in the rare gas;
a two-photon excitation light source;
a seed light source;
, two-photon excitation light and seed light are incident on the rare gas and the dispersion medium, and a vacuum ultraviolet laser light is output through a nonlinear optical process by two-photon excitation.

用いる分散媒質の数を低減し、小型かつ室温で動作して真空紫外レーザ光を発生するレーザ装置が実現される。 A laser device that reduces the number of dispersion media to be used, is small, operates at room temperature, and generates vacuum ultraviolet laser light is realized.

実施形態の真空紫外レーザ光発生の基本概念を説明する図である。It is a figure explaining the basic concept of vacuum-ultraviolet laser beam generation of embodiment. 実施形態のレーザ装置の模式図である。1 is a schematic diagram of a laser device according to an embodiment; FIG. 実施形態で用いる二光子励起光源の構成例である。It is a configuration example of a two-photon excitation light source used in the embodiment. 実施形態で用いる二光子励起光源の変形例である。It is a modification of the two-photon excitation light source used in the embodiment. 二光子励起による光パラメトリック増幅を説明する図である。It is a figure explaining optical parametric amplification by two-photon excitation. 真空紫外レーザ光の発生スキームとして、パラメトリックダウンコンバージョンと和周波光発生を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing parametric down-conversion and sum-frequency light generation as schemes for generating vacuum ultraviolet laser light. 図２のレーザ装置を用いたパラメトリックダウンコンバージョンの数値計算例である。3 is an example of numerical calculation of parametric down-conversion using the laser device of FIG. 2. FIG. 図２のレーザ装置を用いた和周波光発生の数値計算例である。3 is an example of numerical calculation of sum frequency light generation using the laser device of FIG. 2;

図１は、実施形態の真空紫外レーザ光発生の基本概念を説明する図である。実施形態では、Ｈｅ（ヘリウム）、Ｎｅ（ネオン）、Ａｒ（アルゴン）、Ｋｒ（クリプトン）、Ｘｅ（キセノン）等の希ガス中に透明な分散媒質を配置し、その位置と厚みを所望の値に高精度に調整する。希ガスと分散媒質に、二光子励起レーザ光とシード光を入射し、二光子励起による非線形光学過程により、室温で高効率に真空紫外レーザ光を発生させる。 FIG. 1 is a diagram for explaining the basic concept of vacuum ultraviolet laser light generation according to an embodiment. In the embodiment, a transparent dispersion medium is placed in a noble gas such as He (helium), Ne (neon), Ar (argon), Kr (krypton), or Xe (xenon), and its position and thickness are adjusted to desired values. to be adjusted with high precision. A two-photon excitation laser beam and a seed beam are injected into a rare gas and a dispersion medium, and a vacuum ultraviolet laser beam is generated at room temperature with high efficiency by a nonlinear optical process caused by the two-photon excitation.

二光子励起とは、二つの励起光子が同時に吸収される現象である。二光子励起により、希ガスへの入射光のエネルギーは２倍になり、１／２波長の励起と同じ効果が得られる。希ガスは非線形光学媒質であり、高エネルギーの光が入射することで、希ガスの内部に入射電場に対して非線形な（２次以上の）分極が生じ、その分極の振動から入射光と異なる周波数成分が発生する。実施形態では、真空紫外レーザ光として波長が２００ｎｍ以下、より好ましくは１２０ｎｍ～１４０ｎｍの真空紫外レーザ光を取り出す。 Two-photon excitation is a phenomenon in which two excitation photons are absorbed simultaneously. Two-photon excitation doubles the energy of the incident light on the noble gas and has the same effect as half-wave excitation. Rare gases are nonlinear optical media. When high-energy light enters the rare gas, nonlinear (second-order or higher) polarization occurs in the interior of the rare gas with respect to the incident electric field. A frequency component is generated. In the embodiment, a vacuum ultraviolet laser beam having a wavelength of 200 nm or less, more preferably 120 nm to 140 nm is extracted as the vacuum ultraviolet laser beam.

分散媒質は、その屈折率が周波数または波長に依存する媒質である。実施形態では、分散媒質は、入射した二光子励起光、新たに発生するアイドラー光（真空紫外レーザ光）とシグナル光の間の相対位相関係が、真空紫外レーザ光の出射端まで整合した状態に維持されるように、挿入位置と厚さが制御されている。分散媒質が挿入された位置で、複数の周波数成分の間に生じる位相不整合を修正して、比較的長い相互作用長にわたって位相整合を保つことができる。 A dispersive medium is a medium whose refractive index is frequency or wavelength dependent. In the embodiment, the dispersion medium is in a state in which the relative phase relationship between the incident two-photon excitation light, the newly generated idler light (vacuum ultraviolet laser light), and the signal light is matched up to the emission end of the vacuum ultraviolet laser light. The insertion position and thickness are controlled so that they are maintained. The location where the dispersive medium is inserted can correct the phase mismatch that occurs between multiple frequency components to maintain phase matching over relatively long interaction lengths.

具体的には、分散媒質は、希ガスとの界面である入射面で、非線形光学過程で生じる２以上の光成分の位相不整合量（ΔｋＬ）がπになる位置に配置され、かつ、その厚さは、分散媒質の出射面で位相不整合量（ΔｋＬ）がほぼ０になる厚さに制御されている。分散媒質を希ガス中のどの位置に挿入するかについての具体例は、後述する。 Specifically, the dispersion medium is arranged at a position where the phase mismatch amount (ΔkL) of the two or more light components generated in the nonlinear optical process becomes π on the plane of incidence, which is the interface with the rare gas, and The thickness is controlled so that the phase mismatch amount (ΔkL) becomes almost zero at the exit surface of the dispersion medium. A specific example of where the dispersion medium is inserted in the rare gas will be described later.

図２は、実施形態のレーザ装置１の模式図である。レーザ装置１は、セル１０の内部に封入される希ガス１５と、希ガス１５の中に、光軸ＯＡに沿って配置された１以上の分散媒質１７ａ～１７ｄと、二光子励起光源２と、シード光源３を有する。セル１０内の希ガス１５と分散媒質１７で、波長変換デバイス１０が構成される。 FIG. 2 is a schematic diagram of the laser device 1 of the embodiment. The laser device 1 includes a rare gas 15 sealed inside the cell 10, one or more dispersion media 17a to 17d arranged in the rare gas 15 along the optical axis OA, and a two-photon excitation light source 2. , with a seed light source 3 . The noble gas 15 and the dispersion medium 17 in the cell 10 constitute the wavelength conversion device 10 .

セル１１は、入射側に透過窓１２を有し、出射側に透過窓１３を有する。透過窓１２は入射する二光子励起光とシード光に対して透明な材料で形成されている。透過窓１３は、出力される真空紫外レーザ光に透明な材料で形成されている。このような材料として、石英、ケイ酸塩、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム等の窓を用いることができる。 The cell 11 has a transmission window 12 on the entrance side and a transmission window 13 on the exit side. The transmission window 12 is made of a material transparent to the incident two-photon excitation light and seed light. The transmission window 13 is made of a material transparent to the output vacuum ultraviolet laser light. As such materials, windows such as quartz, silicate, calcium fluoride, and magnesium fluoride can be used.

分散媒質１７ａ～１７ｄは、合成石英、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化リチウム等で形成されている。図２では、例示のために４枚のプレート状の分散媒質１７ａ～１７ｄが描かれているが、この例に限定されない。分散媒質１７ａ～１７ｄは、希ガス１５内での位置と厚さが所望の値になるように高精度に調整されている。一例として、分散媒質１７ａ、１７ｂのように、分散媒質１７を光軸ＯＡに対して傾ける、または回転させることで、希ガス１５中での分散媒質１７の入射面と出射面の位置、及び厚さ（実効的な光学長）を変えることができる。 The dispersion media 17a to 17d are made of synthetic quartz, calcium fluoride, magnesium fluoride, lithium fluoride, or the like. In FIG. 2, four plate-shaped dispersion media 17a to 17d are drawn for illustration, but the present invention is not limited to this example. The dispersion media 17a to 17d are adjusted with high precision so that their positions and thicknesses within the rare gas 15 have desired values. As an example, by tilting or rotating the dispersion medium 17 with respect to the optical axis OA like the dispersion media 17a and 17b, the positions of the incident surface and the exit surface of the dispersion medium 17 in the rare gas 15 and the thickness (effective optical length) can be changed.

あるいは、分散媒質１７ｃ、１７ｄのように、分散媒質１７を一対のくさび型のパーツを組み合わせて構成し、矢印で示すように、パーツの少なくとも一方を他方に対してくさびの稜線に沿った方向に相対的に動かすことで、分散媒質１７の入射面と出射面の位置、及び厚さを制御してもよい。 Alternatively, like the dispersion media 17c and 17d, the dispersion medium 17 is configured by combining a pair of wedge-shaped parts, and as indicated by the arrow, at least one of the parts is oriented along the ridgeline of the wedge with respect to the other. By moving them relatively, the positions and thickness of the incident surface and the exit surface of the dispersion medium 17 may be controlled.

図２のように、回転可能な分散媒質１７とくさび型ペアの分散媒質１７の両方を用いる必要はなく、いずれか一方のタイプだけを用いてもよいし、位置と実効的な光路長を調整することができれば、どのような構成であってもよい。適切な位置と厚さで分散媒質１７を配置して二光子励起を用いることで、１～３枚の分散プレートを挿入するだけで、真空紫外レーザ光を高効率で発生させることができる。 As shown in FIG. 2, it is not necessary to use both the rotatable dispersion medium 17 and the wedge-shaped pair of dispersion medium 17, but either type can be used, and the position and effective optical path length can be adjusted. Any configuration is possible as long as it can be done. By arranging the dispersive medium 17 at an appropriate position and thickness and using two-photon excitation, vacuum ultraviolet laser light can be generated with high efficiency simply by inserting one to three dispersive plates.

希ガス１５の密度は、ターゲットとする真空紫外レーザ光を発生させるために、利得またはコヒーレンスに応じて適切な密度に設定されている。たとえば、波長が１６０ｎｍ～２００ｎｍの真空紫外レーザ光を発生させる場合、コヒーレンスが０．１～０．２の条件では、希ガスの密度を１０¹⁷ｃｍ^-3程度に設定する。 The density of the rare gas 15 is set to an appropriate density according to the gain or coherence in order to generate the target vacuum ultraviolet laser light. For example, when generating vacuum ultraviolet laser light with a wavelength of 160 nm to 200 nm, the density of the noble gas is set to about 10 ¹⁷ cm ^-3 under the condition of coherence of 0.1 to 0.2.

実施形態の特徴として、レーザ装置１は室温で動作し、波長変換デバイス１０を低温環境に置く必要はない。また、分散媒質１７を１０枚近くも使用する必要はない。波長変換デバイス１０を用い、パラメトリックダウンコンバージョン、和周波光発生等により、室温で真空紫外レーザ光を取り出すことができる。 As a feature of the embodiment, the laser apparatus 1 operates at room temperature and the wavelength conversion device 10 need not be placed in a low temperature environment. Also, there is no need to use nearly ten dispersion media 17 . Using the wavelength conversion device 10, vacuum ultraviolet laser light can be extracted at room temperature by parametric down conversion, sum frequency light generation, or the like.

二光子励起光源２は、たとえば、チタンサファイアレーザのように、高い密度で光子を発生させるパルスレーザである。二光子励起光源２の種類、構成等に制限はないが、たとえば、図３のようなナノ秒注入同期パルスレーザを用いることができる。 The two-photon excitation light source 2 is, for example, a pulsed laser that generates photons at a high density, such as a titanium sapphire laser. Although there are no restrictions on the type and configuration of the two-photon excitation light source 2, for example, a nanosecond injection-locked pulsed laser as shown in FIG. 3 can be used.

図３Ａは、実施形態で用いる二光子励起光源２Ａの模式図である。二光子励起光源２Ａは、４枚のミラーＭ１～Ｍ４と、レーザ媒質５１を有するボウタイ型共振器の注入同期レーザである。ミラーＭ１とミラーＭ２を凹面ミラーとすることで、ビームをきつく絞ってマルチモード発振を抑制することができる。 FIG. 3A is a schematic diagram of a two-photon excitation light source 2A used in the embodiment. The two-photon excitation light source 2A is an injection-locked laser of a bowtie type resonator having four mirrors M1 to M4 and a laser medium 51. FIG. By using concave mirrors as the mirrors M1 and M2, the beam can be narrowed down to suppress multimode oscillation.

パラメトリックダウンコンバージョン、和周波光発生等により真空紫外レーザ光を取り出すには、高出力な単一波長の二光子励起光を入射する必要がある。高出力で単一波長の二光子励起レーザ光を得るために、注入同期を利用する。注入同期とは、エネルギーの高い自励発振器に、周波数の安定した単一波長の外部光を注入することで、発振出力を外部光に同期させる技術である。 In order to extract vacuum ultraviolet laser light by parametric down-conversion, sum frequency light generation, etc., it is necessary to inject high-power single-wavelength two-photon excitation light. Injection locking is used to obtain high-power, single-wavelength two-photon excitation laser light. Injection locking is a technique for synchronizing oscillation output with external light by injecting external light of a single wavelength with a stable frequency into a high-energy self-excited oscillator.

励起光（図中の破線矢印）として、固体レーザであるＱスイッチＮｄドープＹＡＧパルスレーザ（１０６４ｎｍ）の第二高調波（５３２ｎｍ）を用いる。ＱスイッチＹＡＧレーザは励起レーザの一例であり、その他の励起光源を用いてもよい。注入同期用のシード光源として、たとえば７４８．８８ｎｍにチューニングした周波数安定なＥＣＤＬ（External Cavity Diode Laser：外部共振器半導体レーザ）を用いる。 The second harmonic (532 nm) of a Q-switched Nd-doped YAG pulse laser (1064 nm), which is a solid-state laser, is used as excitation light (broken arrow in the figure). A Q-switched YAG laser is an example of an excitation laser, and other excitation light sources may be used. As a seed light source for injection locking, a frequency-stable ECDL (External Cavity Diode Laser) tuned to 748.88 nm, for example, is used.

レーザ媒質５１として、６５０ｎｍ～１１００ｎｍで発振可能であり、８００ｎｍ付近に増幅利得の中心があるチタンサファイア結晶を用いる。４枚のミラーＭ１～Ｍ４の間を反復し、レーザ媒質５１で増幅されて出力されるレーザ光は、外部光の周波数である７４８．８８ｎｍに同期される。 As the laser medium 51, a titanium sapphire crystal that can oscillate at 650 nm to 1100 nm and has an amplification gain centered around 800 nm is used. The laser light that repeats between the four mirrors M1 to M4, is amplified by the laser medium 51, and is output is synchronized with the external light frequency of 748.88 nm.

この出力光に対して第２高調波発生（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）または第３高調波発生（ＴＨＧ：Third Harmonic Generation）を適用して、単一波長、単一横モードの二光子励起レーザ光を生成する。たとえば、ＴＨＧにより波長が２４９．６２８ｎｍの二光子励起レーザ光を二光子励起光源２Ａから出力することができる。注入同期用のシード光源に波長可変光源を用いる場合は、図３Ａの構成で所望の波長を有する単一波長、単一横モードの二光子励起レーザ光を出力することができる。 By applying second harmonic generation (SHG) or third harmonic generation (THG) to this output light, a single wavelength, single transverse mode two-photon excitation laser light is obtained. to generate For example, THG can output a two-photon excitation laser beam with a wavelength of 249.628 nm from the two-photon excitation light source 2A. When a wavelength tunable light source is used as a seed light source for injection locking, the configuration of FIG. 3A can output single-wavelength, single-transverse-mode two-photon excitation laser light having a desired wavelength.

図３Ｂは、図３Ａの変形例である二光子励起光源２Ｂの模式図である。図３Ｂでは、ミラーＭ１とミラーＭ２の間に真空セル５２を配置して、きつく絞られたビームの焦点近傍での放電を抑制する。また、ミラーＭ１とミラーＭ２の間に、非点収差補正プレート５３、５４を挿入して、非点収差を軽減してもよい。さらに、ミラーＭ４の抜け光をミラーＭ２の位置制御にフィードバックして、共振器をロックし安定性を高めてもよい。 FIG. 3B is a schematic diagram of a two-photon excitation light source 2B that is a modification of FIG. 3A. In FIG. 3B, a vacuum cell 52 is placed between mirrors M1 and M2 to suppress discharge near the focus of the tightly focused beam. Also, astigmatism correction plates 53 and 54 may be inserted between the mirrors M1 and M2 to reduce astigmatism. Further, the light passing through the mirror M4 may be fed back to the position control of the mirror M2 to lock the resonator and improve stability.

真空セル５２、非点収差プレート５３，５４、及びフィードバック機構の全て備える必要はなく、必要に応じてこれらの一部を組み合わせてもよい。共振器はボウタイ型に限定されず、三角形型、Ｚ型等、その他の共振器構成を用いてもよい。 It is not necessary to have all of the vacuum cell 52, the astigmatism plates 53 and 54, and the feedback mechanism, and some of these may be combined as needed. The resonator is not limited to the bowtie type, and other resonator configurations such as triangular, Z-shaped, etc. may be used.

図２に戻って、シード光源３はどのような光源を用いてもよい。このシード光源３は二光子励起光源２で用いられる注入同期用のシード光源とは異なっていてもよいし、共用してもよい。この例ではシード光源３として、たとえば、赤外から遠赤外の帯域の光を出力する別個の光源を用いる。シード光源３は波長可変光源であってもよい。 Returning to FIG. 2, the seed light source 3 may use any light source. This seed light source 3 may be different from the seed light source for injection locking used in the two-photon excitation light source 2, or may be used in common. In this example, as the seed light source 3, for example, a separate light source that outputs light in a band from infrared to far infrared is used. The seed light source 3 may be a tunable light source.

図４は、二光子励起による光パラメトリック増幅を説明する図である。図４では、ダウンコンバージョンを例にとっている。実施形態では、希ガスの二光子許容遷移の量子準位に近共鳴させた断熱二光子励起により、高コヒーレンスで光パラメトリック増幅を行う。二光子励起レーザ光を二光子許容遷移の量子準位に近共鳴させて、離長δを制御することで、系は断熱励起されて、現実的な励起強度で最大に近いコヒーレンスを生成することができる。 FIG. 4 is a diagram for explaining optical parametric amplification by two-photon excitation. FIG. 4 takes down-conversion as an example. In embodiments, optical parametric amplification is performed with high coherence by adiabatic two-photon excitation near resonance with the quantum levels of the two-photon allowed transitions of noble gases. By bringing the two-photon excitation laser light near-resonance to the quantum level of the two-photon allowed transition and controlling the detachment δ, the system is adiabatically excited to produce near-maximal coherence at realistic excitation intensities. can be done.

図４で、基底状態｜ｇ＞、二光子遷移が許容される励起状態を｜ｅ＞とすると、二光子励起により系に与えられるエネルギーが、二光子遷移のスペクトル拡がりに相当する数ＧＨｚ程度の離長δだけ、励起準位（共鳴準位）からずれている方がコヒーレンスを高めることができる（近共鳴）。これを断熱二光子励起という。ここで「断熱」とは、系が外部との間でエネルギーのやりとりが無いことを意味する。 In FIG. 4, if the ground state is |g> and the excited state in which two-photon transition is allowed is |e>, the energy given to the system by two-photon excitation is about several GHz, which corresponds to the spectral spread of two-photon transition. The coherence can be enhanced by deviating from the excitation level (resonance level) by the distance δ (near resonance). This is called adiabatic two-photon excitation. Here, "adiabatic" means that the system does not exchange energy with the outside.

非線形光学媒質としての希ガス１５に入射した二光子励起レーザ光は、希ガス１５の電子状態を、二光子許容遷移の量子準位の近傍に励起する。その状態にシード光（シグナル光）をさらに希ガス１５に導入すると、新たな周波数の真空紫外レーザ光（ＶＵＶ：Vacuum Ultra-Violet）が発生する。ここでは真空紫外レーザ光はアイドラー光とも呼ばれる。真空紫外レーザ光（アイドラー光）のエネルギーは、２つの励起光子のエネルギーの和から、シード光のエネルギーだけ小さくなったエネルギーである。 The two-photon excitation laser beam incident on the rare gas 15 as a nonlinear optical medium excites the electronic state of the rare gas 15 near the quantum level of the two-photon permissible transition. When seed light (signal light) is further introduced into the rare gas 15 in that state, vacuum ultraviolet laser light (VUV: Vacuum Ultra-Violet) of a new frequency is generated. Here, the vacuum ultraviolet laser light is also called idler light. The energy of the vacuum ultraviolet laser light (idler light) is the sum of the energies of the two excitation photons reduced by the energy of the seed light.

図５は、真空紫外レーザ光の発生スキームとして、パラメトリックダウンコンバージョンと、和周波光発生を示す図である。図５（ａ）のパラメトリックダウンコンバージョンは、図４を参照して説明したとおりである。 FIG. 5 is a diagram showing parametric down-conversion and sum-frequency light generation as vacuum ultraviolet laser light generation schemes. The parametric down-conversion of FIG. 5(a) is as described with reference to FIG.

図５（ｂ）の和周波光発生では、二光子励起により、希ガス１５の二光子許容遷移の量子準位（｜ｅ＞）の近傍のエネルギー状態に、シード光のエネルギーが加算されて、真空紫外レーザ光（和周波光）が生成される。２つの励起光子のエネルギーの合計に、さらにシード光のエネルギーが足し合わされて真空紫外レーザ光が生成されるので、パラメトリックダウンコンバージョンよりも短い波長の真空紫外レーザ光が生成される。 In the sum-frequency light generation of FIG. 5(b), due to two-photon excitation, the energy of the seed light is added to the energy state near the quantum level (|e>) of the two-photon permissible transition of the noble gas 15, Vacuum ultraviolet laser light (sum frequency light) is generated. Since vacuum ultraviolet laser light is generated by adding the energy of the seed light to the sum of the energies of the two excitation photons, vacuum ultraviolet laser light with a wavelength shorter than that of parametric down conversion is generated.

二光子励起光が希ガス１５に入射して、図５（ａ）のパラメトリックダウンコンバージョンが支配的になるか、図５（ｂ）の和周波光発生が支配的になるかは、エネルギーの流れによって決まり、希ガス１５中に配置される分散媒質１７の位置と厚さを制御することで、波長変換デバイス１０の伝搬長にわたって位相整合条件を満たし、かつ、パラメトリックダウンコンバージョンと和周波光発生を選択することも可能である。 When the two-photon excitation light enters the noble gas 15, whether parametric down-conversion in FIG. 5(a) becomes dominant or sum-frequency light generation in FIG. 5(b) becomes dominant depends on energy flow By controlling the position and thickness of the dispersive medium 17 placed in the noble gas 15, the phase matching condition is satisfied over the propagation length of the wavelength conversion device 10, and parametric down-conversion and sum-frequency light generation are achieved. It is also possible to select

図６は、図２のレーザ装置１におけるパラメトリックダウンコンバージョンの数値計算例である。図６（Ｂ）は、希ガス１５中の光の伝搬過程で生成される光をフォトン発生数で表したものである。図６（Ａ）は、図６（Ｂ）の数値計算結果を白黒画像で示したものである。図６（Ａ）と図６（Ｂ）で、横軸の伝搬長のスケールは一致している。 FIG. 6 is a numerical calculation example of parametric down-conversion in the laser device 1 of FIG. FIG. 6B shows the number of generated photons of light generated during the process of light propagation in the rare gas 15 . FIG. 6(A) shows the numerical calculation result of FIG. 6(B) in a black and white image. 6A and 6B, the scale of the propagation length on the horizontal axis is the same.

数値計算条件として、セル１１内にＸｅガスを、室温でのＸｅ原子の密度Ｎ＝２．８８×１０¹⁶ｃｍ^-3で充填する。二光子励起光源２の励起強度ＩはＩ＝０．６５ＧＷ／ｃｍ²、二光子励起レーザ光の波長は２４９．６２８５ｎｍ、シード光波長は３．９５９３１５μｍである。 As a numerical calculation condition, the cell 11 is filled with Xe gas at a density of Xe atoms N=2.88×10 ¹⁶ cm ⁻³ at room temperature. The excitation intensity I of the two-photon excitation light source 2 is I=0.65 GW/cm ² , the wavelength of the two-photon excitation laser light is 249.6285 nm, and the seed light wavelength is 3.959315 μm.

図６（Ａ）で、－１チャネルがアイドラー光としての真空紫外レーザ光（ＶＵＶ）の観測チャネル、０チャネルがシード光（シグナル光）の観測チャネル、＋１チャネルは和周波光の観測チャネルである。ここで発生するＶＵＶレーザ光の波長は１２８．８７７０ｎｍである。右端の白黒のスケールバーは、正規化されたフォトン数であり、図６（Ｂ）の縦軸のスケールと一致している。 In FIG. 6A, -1 channel is an observation channel of vacuum ultraviolet laser light (VUV) as idler light, 0 channel is an observation channel of seed light (signal light), and +1 channel is an observation channel of sum frequency light. . The wavelength of the VUV laser light generated here is 128.8770 nm. The rightmost black and white scale bar is the normalized number of photons, which matches the scale of the vertical axis in FIG. 6(B).

図６（Ｂ）の数値計算結果で、実線は入射シード光を含む発生したフォトン数の総和である。二光子励起レーザ光の希ガス１５への入射直後は、二光子励起レーザ光と希ガスの相互作用はまだ発生していない。 In the numerical calculation results of FIG. 6B, the solid line is the total number of generated photons including the incident seed light. Immediately after the two-photon excitation laser light enters the rare gas 15, the interaction between the two-photon excitation laser light and the rare gas has not yet occurred.

その後、伝搬過程での非線形な相互作用により、二光子励起のエネルギーから、シード光と真空紫外レーザ光（ＶＵＶ）へとエネルギーが流れる。伝搬長が２ｃｍに近づくと、図中のサークルＡで示すように、ＶＵＶレーザ光（アイドラー光）の発生光子数が停滞する一方で、和周波光の強度が強くなる。これは希ガス１５を伝搬するパラメトリックダウンコンバージョンに関わる光成分の間で、位相がずれてきていることに起因する。 After that, due to nonlinear interactions in the propagation process, energy flows from the energy of two-photon excitation to seed light and vacuum ultraviolet laser light (VUV). When the propagation length approaches 2 cm, as indicated by circle A in the figure, the number of generated photons of VUV laser light (idler light) stagnates, while the intensity of sum frequency light increases. This is due to the fact that the optical components involved in parametric down-conversion propagating through the rare gas 15 are out of phase.

そこで、ＶＵＶレーザ光の発生が停滞する２ｃｍ近傍の位置に１番目の分散媒質１７を挿入して、複数の光成分の間で位相整合条件が満たされるように補正する。具体的には、分散媒質１７への入射面で複数の光成分の位相不整合量（ΔｋＬ）がπになる位置に分散媒質１７を配置し、かつ、この分散媒質１７の出射面で光成分間の位相不整合量（ΔｋＬ）がゼロになる厚さに分散媒質１７の厚さを調整する。 Therefore, the first dispersion medium 17 is inserted at a position near 2 cm where the generation of the VUV laser light is stagnant, and correction is performed so that the phase matching condition is satisfied between the plurality of light components. Specifically, the dispersion medium 17 is arranged at a position where the phase mismatch amount (ΔkL) of a plurality of light components becomes π on the plane of incidence of the dispersion medium 17, and the light components The thickness of the dispersion medium 17 is adjusted so that the phase mismatch amount (ΔkL) between them becomes zero.

この位置と厚さで分散媒質１７を配置することで、停滞していたＶＵＶ光の発生が回復し、かつ和周波光の成分が低減する。その結果、シード光（シグナル光）、ＶＵＶレーザ光（アイドラー光）ともに生成が促進される。 By arranging the dispersion medium 17 at this position and thickness, the stagnated generation of VUV light is recovered and the sum frequency light component is reduced. As a result, generation of both seed light (signal light) and VUV laser light (idler light) is promoted.

伝搬長が３．５ｃｍを超えるあたりで、サークルＢで示すように、再度ＶＵＶレーザ光の発生が停滞する。そこで、この位置に第２の分散媒質１７を配置する。第２の分散媒質１７もその入射面で複数の光成分間の位相不整合量（ΔｋＬ）がπになる位置に配置され、かつその出射面で位相不整合量（ΔｋＬ）がゼロまたは最小になる厚さに制御される。 When the propagation length exceeds 3.5 cm, as indicated by circle B, the generation of VUV laser light again stagnate. Therefore, the second dispersion medium 17 is arranged at this position. The second dispersion medium 17 is also arranged at a position where the phase mismatch amount (ΔkL) between a plurality of light components becomes π on its incident surface, and the phase mismatch amount (ΔkL) is zero or minimal on its exit surface. thickness is controlled to

第１の分散媒質と第２の分散媒質を適切な位置と厚さで挿入することで、比較的長い伝搬長にわたって位相不整合量（ΔｋＬ）がゼロまたはその近傍に抑制されて、ほぼ１００％に近い量子効率でＶＵＶレーザ光を出射することができる。 By inserting the first dispersion medium and the second dispersion medium at appropriate positions and thicknesses, the phase mismatch amount (ΔkL) is suppressed to zero or near zero over a relatively long propagation length, and is almost 100%. VUV laser light can be emitted with a quantum efficiency close to .

図７は、図２のレーザ装置１における和周波光発生の数値計算例である。セル１１に封入する希ガスの種類と密度、二光子励起光源２の条件、波長等は図６と同じであるが、図７では、２５ｃｍの伝搬長にわたって和周波光発生の過程を観測追跡している。 FIG. 7 is an example of numerical calculation of sum frequency light generation in the laser device 1 of FIG. The type and density of the rare gas enclosed in the cell 11, the conditions of the two-photon excitation light source 2, the wavelength, etc. are the same as in FIG. 6, but in FIG. ing.

図７（Ａ）で、＋１チャネルが和周波光発生で生成される真空紫外レーザ光（ＶＵＶ）の観測チャネル、０チャネルがシード光の観測チャネル、－１チャネルはパラメトリックダウンコンバージョンの観測チャネルである。右端の白黒のスケールバーは、正規化されたフォトン数であり、図７（Ｂ）の縦軸のスケールと一致している。 In FIG. 7A, the +1 channel is an observation channel for vacuum ultraviolet laser light (VUV) generated by sum frequency light generation, the 0 channel is an observation channel for seed light, and the -1 channel is an observation channel for parametric down conversion. . The rightmost black and white scale bar is the normalized number of photons, which matches the scale of the vertical axis in FIG. 7(B).

和周波光発生では、Ｘｅガスに入射する２光子励起光のエネルギーと、シード光のエネルギーを足し合わせたエネルギーから、ＶＵＶレーザ光が生成される。発生するＶＵＶレーザ光の波長は、１２１．００００ｎｍである。 In the sum-frequency light generation, VUV laser light is generated from the energy obtained by adding the energy of the two-photon excitation light incident on the Xe gas and the energy of the seed light. The wavelength of the generated VUV laser light is 121.0000 nm.

図７（Ａ）及び図７（Ｂ）からわかるように、伝搬長の関数としてのＶＵＶレーザ光とシード光の光子数は、周期的に変化し、かつ互いに逆のプロファイルをとる。 As can be seen from FIGS. 7A and 7B, the photon counts of the VUV laser light and the seed light as a function of propagation length vary periodically and follow mutually opposite profiles.

Ｘｅ中を伝搬する複数の光成分の間で位相整合が崩れる位置に、分散媒質１７を挿入して位相整合関係を補正する。この例では、伝搬長が２．５ｃｍの近傍でＶＵＶレーザ光（和周波光）の発生が停滞し、パラメトリックダウンコンバージョンによるアイドラー光の割合が多くなる。そこで、この位置に１番目の分散媒質１７を配置することで、アイドラー光を低減してＶＵＶレーザ光（和周波光）の発生を増大させる。分散媒質１７の位置と厚さは、その入射面で位相不整合量（ΔｋＬ）がπになり、かつ出射面で位相不整合量（ΔｋＬ）がゼロまたは最小となるように制御されている。 The phase matching relationship is corrected by inserting the dispersive medium 17 at the position where the phase matching between the plurality of light components propagating in Xe is lost. In this example, the generation of VUV laser light (sum-frequency light) stagnates near the propagation length of 2.5 cm, and the proportion of idler light due to parametric down-conversion increases. Therefore, by arranging the first dispersion medium 17 at this position, the idler light is reduced and the generation of VUV laser light (sum frequency light) is increased. The position and thickness of the dispersive medium 17 are controlled so that the phase mismatch amount (ΔkL) is π at the entrance surface and the phase mismatch amount (ΔkL) is zero or minimum at the exit surface.

伝搬長が５ｃｍを超えたあたりで、再度アイドラー光が増大し、ＶＵＶレーザ光（和周波光）の発生が停滞する。そこで、この位置に第２の分散媒質１７を配置する。第２の分散媒質１７も、その入射面で複数の光成分間の位相不整合量（ΔｋＬ）がπになる位置に制御され、かつ、その出射面で位相不整合量（ΔｋＬ）が０になる厚さに制御される。 When the propagation length exceeds 5 cm, the idler light increases again and the generation of VUV laser light (sum frequency light) stagnate. Therefore, the second dispersion medium 17 is arranged at this position. The second dispersion medium 17 is also controlled to a position where the phase mismatch amount (ΔkL) between a plurality of light components becomes π on its incident surface, and the phase mismatch amount (ΔkL) becomes 0 on its exit surface. thickness is controlled to

第１の分散媒質と第２の分散媒質を適切な位置と厚さで挿入することで、比較的長い伝搬長にわたってターゲット波長と異なるアイドラー光をきわめて低いレベルに、かつほぼ一定量に抑制して、１００％に近い効率でＶＵＶレーザ光（和周波光）を出射することができる。 By inserting the first dispersion medium and the second dispersion medium at appropriate positions and thicknesses, the idler light different from the target wavelength is suppressed to an extremely low level and a substantially constant amount over a relatively long propagation length. , VUV laser light (sum frequency light) can be emitted with an efficiency close to 100%.

以上、特定の実施例に基づいて本発明を説明してきたが、本発明は上記の構成に限定されない。Ｘｅに替えて、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ａｒガス、Ｋｒガス等をセル１１に封入して二光子励起レーザ光とシード光を入射する場合も、分散媒質１７を適切な位置と厚さで配置することで、高い効率で真空紫外レーザ光を生成することができる。分散媒質を、その入射面で複数の光成分間の位相不整合量（ΔｋＬ）がπとなる位置に配置し、かつ出射面で位相不整合量（ΔｋＬ）がゼロまたは最小となる厚さに設定したときに、真空紫外レーザ光の発生効率は最も高くなる。 Although the present invention has been described based on specific embodiments, the present invention is not limited to the above configurations. Even when the cell 11 is filled with He gas, Ne gas, Ar gas, Kr gas, or the like instead of Xe, and the two-photon excitation laser light and the seed light are injected, the dispersion medium 17 is arranged at an appropriate position and thickness. By doing so, vacuum ultraviolet laser light can be generated with high efficiency. The dispersion medium is arranged at a position where the phase mismatch amount (ΔkL) between the plurality of light components becomes π on the incident surface, and has a thickness such that the phase mismatch amount (ΔkL) is zero or minimum on the exit surface. When set, the generation efficiency of the vacuum ultraviolet laser light becomes the highest.

Ｘｅ以外の希ガスを用いる場合も、二光子許容遷移の量子準位に近共鳴させた（ガス分子のスペクトル拡がり程度の離長δをとった）断熱励起を行うことで、高コヒーレンスを生成し、効率よく真空紫外レーザ光を生成することができる。 Even when noble gases other than Xe are used, high coherence is generated by adiabatic excitation that is near-resonant with the quantum level of the two-photon permissible transition (with a detachment δ equivalent to the spectral broadening of gas molecules). can efficiently generate vacuum ultraviolet laser light.

二光子励起光源は、固体パルスレーザにＳＨＧ、またはＴＨＧ、またはＦＨＧ等を組み合わせることで、非線形光学過程でターゲットの真空紫外レーザ光を生成することのできる波長の二光子レーザ光を出力することができる。 The two-photon excitation light source can output two-photon laser light with a wavelength that can generate target vacuum ultraviolet laser light in a nonlinear optical process by combining SHG, THG, FHG, etc. with a solid-state pulse laser. can.

このような高効率の真空紫外レーザ装置は、光学顕微鏡等の理化学機器、半導体リソグラフィ光源、短波長加工レーザ、遠隔環境計測レーザ光源など、さまざまな用途への利用が期待される。 Such highly efficient vacuum ultraviolet laser devices are expected to be used in various applications such as physical and chemical instruments such as optical microscopes, semiconductor lithography light sources, short wavelength processing lasers, and remote environment measurement laser light sources.

１レーザ装置
２、２Ａ、２Ｂ二光子励起光源
３シード光源
１０波長変換デバイス
１１セル
１５希ガス
１７、１７ａ～１７ｄ分散媒質 1 laser device 2, 2A, 2B two-photon excitation light source 3 seed light source 10 wavelength conversion device 11 cell 15 rare gas 17, 17a to 17d dispersion medium

Claims

セル内に封入される希ガスと、
前記希ガスの中に光軸に沿って配置される、位置と厚みが所望の値に調整された１以上の分散媒質と、
二光子励起光源と、
シード光源と、
を有し、二光子励起光とシード光が前記希ガスと前記分散媒質に入射して、二光子励起による非線形光学過程を経て真空紫外レーザ光が出力され、
前記分散媒質は、前記希ガスとの界面である入射面で、前記非線形光学過程で生じる２以上の光成分の位相不整合量（ΔｋＬ）がπになる位置に配置され、かつ、前記分散媒質の出射面で前記位相不整合量（ΔｋＬ）がゼロまたは最小になる厚みに制御されていることを特徴とするレーザ装置。 a rare gas enclosed in the cell;
one or more dispersive media arranged along the optical axis in the noble gas, the position and thickness of which are adjusted to desired values;
a two-photon excitation light source;
a seed light source;
, two-photon excitation light and seed light are incident on the rare gas and the dispersion medium, and vacuum ultraviolet laser light is output through a nonlinear optical process due to two-photon excitation ,
The dispersion medium is arranged at a position where a phase mismatch amount (ΔkL) of two or more light components generated in the nonlinear optical process becomes π on an incident surface that is an interface with the rare gas, and the dispersion medium is A laser device characterized in that the phase mismatch amount (ΔkL) is controlled to be zero or minimum at the emission surface of the .

前記希ガスは、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｘｅ、Ｋｒから選択される１以上のガスであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。 2. The laser device according to claim 1, wherein said rare gas is one or more gases selected from He, Ne, Ar, Xe and Kr.

前記二光子励起は、前記希ガスの二光子許容遷移の量子準位に近共鳴させた断熱励起であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置。 3. The laser device according to claim 1 , wherein the two-photon excitation is adiabatic excitation near resonance with a quantum level of two-photon permissible transition of the rare gas.

前記非線形光学過程は、和周波光発生と光パラメトリックダウンコンバージョンの少なくとも一方であることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のレーザ装置。 4. The laser device according to claim 1 , wherein the nonlinear optical process is at least one of sum frequency light generation and optical parametric down conversion.

前記二光子励起光源は固体パルスレーザを有し、前記二光子励起光は、前記固体パルスレーザの出力の２倍高調波、または３倍高調波であることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載のレーザ装置。 The two-photon excitation light source has a solid-state pulse laser , and the two-photon excitation light is a second harmonic or a third harmonic of the output of the solid-state pulse laser. A laser device according to any one of the preceding claims.

光入射窓および光出射窓を有するセルと、
前記セル内に封入される希ガスと、
前記希ガスが封入された前記セル内に光軸に沿って配置される１以上の分散媒質と、
を有し、
前記分散媒質は、前記希ガスとの界面である入射面で、非線形光学過程により生じる２以上の光成分の位相不整合量（ΔｋＬ）がπになる位置に配置され、かつ、前記分散媒質の出射面で前記位相不整合量（ΔｋＬ）がゼロまたは最小となる厚みに調整されていることを特徴とする波長変換デバイス。 a cell having a light entrance window and a light exit window;
a rare gas enclosed within the cell;
one or more dispersion media arranged along the optical axis in the cell filled with the rare gas;
has
The dispersion medium is arranged at a position where a phase mismatch amount (ΔkL) of two or more light components caused by a nonlinear optical process becomes π on an incident surface that is an interface with the rare gas, and A wavelength conversion device, wherein the thickness is adjusted such that the phase mismatch amount (ΔkL) is zero or minimized on the exit surface.

希ガスと、前記希ガスの中に光軸に沿って配置されて位置と厚みが所望の値に調整された１以上の分散媒質とが封入されたセルに二光子励起光とシード光を入射し、
二光子励起による非線形光学過程を経て前記セルから真空紫外レーザ光を出力し、
前記分散媒質は、前記希ガスとの界面である入射面で、前記非線形光学過程で生じる２以上の光成分の位相不整合量（ΔｋＬ）がπになる位置に配置され、かつ、前記分散媒質の出射面で前記位相不整合量（ΔｋＬ）がゼロまたは最小となる厚みに調整されていることを特徴とする光出力方法。
Two-photon excitation light and seed light are injected into a cell in which a rare gas and one or more dispersion media arranged along the optical axis in the rare gas and adjusted in position and thickness to desired values are sealed. death,
Outputting vacuum ultraviolet laser light from the cell through a nonlinear optical process by two-photon excitation,
The dispersion medium is arranged at a position where a phase mismatch amount (ΔkL) of two or more light components generated in the nonlinear optical process becomes π on an incident surface that is an interface with the rare gas, and the dispersion medium is A light output method , wherein the thickness is adjusted so that the phase mismatch amount (ΔkL) is zero or minimized at the exit surface of the .